(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、
珪素原子を含有する第二の粒子とが、
前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂで複合化された複合粒子を含み、
前記複合粒子の体積平均粒子径が前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０１倍以上１．２５倍以下であり、
前記複合粒子の断面を観察したときに、
前記複合粒子の最大長さである長軸の中点を中心とし、前記長軸の中点で直交する短軸の長さの１／８の長さを半径とする円の内部領域に含まれる珪素原子の含有量に対する、
前記複合粒子の外周から内側に前記短軸の長さの１／８の長さの深さまでの内側領域に含まれる珪素原子の含有量の比率が２以上であるリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項２】
前記複合粒子の断面に含まれる珪素原子の総含有量に対する前記円の内部領域に含まれる珪素原子の含有量の比率が０．２以下である、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項３】
前記第一の粒子の体積平均粒子径は５μｍ以上４０μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項４】
前記炭素性物質Ｂの含有量が前記複合粒子全体において１質量％以上１０質量％以下であり、前記炭素性物質Ｂは有機物の炭素化物である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項５】
導電性を有する物質をさらに含有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項６】
炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、珪素原子を含有する第二の粒子とを、前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂを用いて複合化し、体積平均粒子径が前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０１倍以上１．２５倍以下である複合粒子を得る工程を含む、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池用負極。 
【請求項８】
請求項７に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、正極と、電解質と、を含むリチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材及びその製造方法、リチウムイオン二次電池用負極、並びにリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートパソコンなどモバイル機器の高性能化に伴い、リチウムイオン二次電池の高容量化要求が強くなっている。現在、リチウムイオン二次電池の負極材には主に黒鉛が用いられているが、更なる高容量化のため、理論容量が高く、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素(以下、「特定元素」ともいう、また該特定元素を含んでなるものを、「特定元素体」ともいう)を用いた負極材の開発が活発化している。
上記特定元素としては、珪素、錫，鉛、アルミニウムなどがよく知られている。その中でも珪素及び珪素酸化物は、他の特定元素からなるものよりも容量が高く、安価、加工性が良いなどといった利点があり、これを用いた負極材の研究が特に盛んである。
【０００３】
一方、これら特定元素体は、充電によって合金化した際に、大きく体積膨張することが知られている。このような体積膨張は、特定元素体自身を微細化し、更にこれらを用いた負極材もその構造が破壊されて導電性が切断される。そのため、サイクル経過によって容量が著しく低下することが課題となっている。
この課題に対し、特定元素体を微粒子化し、炭素性物質あるいは樹脂などで、黒鉛と複合化する手法が提案されている。このような複合粒子においては特定元素がＬｉと合金化し、微細化しても黒鉛あるいは炭素性物質によって導電性が確保できるため、特定元素体単独で負極材として用いるよりもサイクル特性を著しく向上できることが知られている。
しかし、依然としてＬｉ合金化時の膨張が複合粒子構造を破壊することによって複合粒子内の導電性が切断されて十分なサイクル特性が得られない場合があり、主にこの膨張の吸収と緩和を目的に、複合粒子内への空隙の導入に着目した検討が盛んに行われている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４６６５７６号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８６４０号公報
【特許文献３】特許第３９９５０５０号公報
【特許文献４】特許第３９８７８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような複合粒子を含む粉末状の負極材は、一般的に集電体に塗布後、ロールプレス等によって電極密度を調整して使用される。しかしながら、上記のような空隙を多く含む複合粒子は、ロールプレス時の圧縮性が悪く、電極密度が低くなるためにリチウムイオン二次電池を構成した場合に十分な高容量化効果が得られない場合がある。一方、高圧でロールプレスして高密度化した場合、複合粒子内の空隙がほとんど潰れるため、空隙による膨張の吸収、緩和作用が低下し、サイクル特性の改善効果が低下する場合がある。
【０００６】
また、上記のような空隙を有する複合粒子を作製する場合、特定元素体微粒子を微粒黒鉛などの多量の炭素性物質を用い、さらに必要に応じて空隙形成材などを添加して、複合粒子化するのが一般的である。しかし、このような粒子は一般的に比表面積が高く、また、低結晶性炭素を多量に含むために充放電効率が低くなり、電池としての高容量化が不十分になる場合がある。
更に上記のような複合粒子においては、特定元素体微粒子が複合粒子内部にも分布している。このような場合、複合粒子内部に存在する特定元素体微粒子の膨張に伴って複合粒子が内部に空間形成しながら膨張するため、相乗作用によって複合粒子が過度に膨張する場合がある。そのため、特定元素体微粒子自体の膨張量よりも、複合粒子、さらには負極とその膨張量が大きくなり、その結果、電池セルが膨らみ、安全性に問題が生じる場合がある。
【０００７】
本発明は、以上の従来の問題点に鑑みなされたものであり、以下の目的を達成することを課題とする。すなわち、本発明は、サイクル特性と安全性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。またサイクル特性と安全性に優れたリチウムイオン二次電池を構成可能で、充電に伴う膨張が抑制されるリチウムイオン二次電池用負極材、並びにリチウムイオン二次電池用負極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための具体的手段は以下の通りである。
＜１＞  炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、珪素原子を含有する第二の粒子とが、前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂで複合化された複合粒子を含み、前記複合粒子の体積平均粒子径が前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０１倍以上１．２５倍以下であり、前記複合粒子の断面を観察したときに、前記複合粒子の最大長さである長軸の中点を中心とし、前記長軸の中点で直交する短軸の長さの１／８の長さを半径とする円の内部領域に含まれる珪素原子の含有量に対する、前記複合粒子の外周から内側に前記短軸の長さの１／８の長さの深さまでの内側領域に含まれる珪素原子の含有量の比率が２以上であるリチウムイオン二次電池用負極材。
【０００９】
＜２＞  前記複合粒子の断面に含まれる珪素原子の総含有量に対する前記円の内部領域に含まれる珪素原子の含有量の比率が０．２以下である、前記＜１＞に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【００１０】
＜３＞  前記第一の粒子の体積平均粒子径は５μｍ以上４０μｍ以下である、前記＜１＞又は＜２＞に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【００１１】
＜４＞  前記炭素性物質Ｂの含有量が複合粒子全体において１質量％以上１０質量％以下であり、前記炭素性物質Ｂは有機物の炭素化物である、前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【００１２】
＜５＞  導電性を有する物質をさらに含有する、前記＜１＞〜＜４＞のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
【００１３】
＜６＞  炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、珪素原子を含有する第二の粒子とを、炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂを用いて複合化し、体積平均粒子径が前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０１倍以上１．２５倍以下である複合粒子を得る工程を含む、前記＜１＞〜＜５＞のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
【００１４】
＜７＞  前記＜１＞〜＜５＞のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池用負極。 
【００１５】
＜８＞  前記＜７＞に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、正極と、電解質と、を含むリチウムイオン二次電池。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、サイクル特性と安全性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することができる。またサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を構成可能で、充電に伴う膨張が抑制されるリチウムイオン二次電池用負極材、並びにリチウムイオン二次電池用負極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明にかかる複合粒子の断面画像の一例を示す図である。
【図２】本発明にかかる複合粒子の断面画像における表面部分の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
【００１９】
＜リチウムイオン二次電池用負極材＞
本発明のリチウムイオン二次電池用負極材（以下、単に「負極材」ともいう）は、炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、珪素原子を含有する第二の粒子とが、前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂで複合化された複合粒子の少なくとも１種を含み、必要に応じてその他の成分を含んで構成される。
また前記複合粒子は、その断面を観察したときに、前記複合粒子の最大長さである長軸の中点を中心とし、前記長軸の中点で直交する短軸の長さの１／８の長さを半径とする円の内部領域に含まれる珪素原子の含有量に対する、前記複合粒子の外周から内側に前記短軸の長さの１／８の長さの深さまでの内側領域に含まれる珪素原子の含有量の比率が２以上である。
【００２０】
すなわち、前記複合粒子においては、珪素原子を含有する第二の粒子が、複合粒子の内部よりもその表面付近に多く存在していることが特徴である。本発明においては、さらに前記複合粒子の断面に含まれる珪素原子の総含有量に対する前記円の内部領域に含まれる珪素原子の含有量の比率が０．２以下であることが好ましい。
このような複合状態であることによって、充電時における第二の粒子の体積膨張が、もっぱら複合粒子表面近傍で起こり、複合粒子内部ではほとんど起こらないため、複合粒子自体の過度な膨張を抑制することができる。
かかる複合粒子を含むリチウムイオン二次電池用負極材を用いて形成されるリチウムイオン二次電池用負極を有して構成されるリチウムイオン二次電池は、サイクル特性及び安全性に優れ、さらに電池容量及び充放電効率に優れる。
【００２１】
［複合粒子］
前記複合粒子においては、第一の粒子と第二の粒子とが炭素性物質Ｂで複合化されている。ここで複合化とは、互いに異なる複数の要素が一体化していることを意味する。
本発明における複合粒子は、少なくとも第一の粒子と第二の粒子とが一体化しているものであり、第一の粒子に複数の第二の粒子が一体化して独立した粒子を構成していることが好ましい。
前記複合粒子における複合化の具体的態様としては、第一の粒子と第二の粒子との間に炭素性物質Ｂが存在して第一の粒子の表面に第二の粒子が付着して一体化している態様、及び、第一の粒子と第二の粒子とが直接接触し、炭素性物質Ｂが第一の粒子及び第二の粒子の両方に接触することで第一の粒子の表面に第二の粒子が付着して一体化している態様が挙げられる。すなわち前記炭素性物質Ｂは、第一の粒子と第二の粒子とを互いに連結して一体化する機能を有している。
【００２２】
また前記複合粒子における第一の粒子と第二の粒子の複合状態は、以下のようにして判断される。さらに以下の要件を満たす複合粒子を含むリチウムイオン二次電池用負極材は、本発明の範囲に含まれる。
【００２３】
複合粒子の複合状態については、複合粒子の断面を観察して、第二の粒子の分布状態から判断される。複合粒子の断面の観察については、特に手法などに限定はされない。例えば、後述するような複合粒子と有機結着剤とを含むスラリーを調製し、これを塗布乾燥して塗布電極を作製する。得られた塗布電極の断面を集束イオンビーム（ＦＩＢ）やイオンミリングなどで加工して複合粒子が切断された試料を作製する。これによって得られた複合粒子断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）などで観察する方法を挙げることができる。
【００２４】
上記のような方法で観察される複合粒子断面において、以下の（ａ）及び（ｂ）の条件を満たす複合粒子を複合状態判断の対象粒子とする。なお（ａ）及び（ｂ）の断面観察における長軸及び短軸の定義については後述する。
（ａ）粒子径
複合粒子の粒子径が概ねレーザー回折式粒度分布測定装置で測定される体積平均粒子径(５０％Ｄ)と同等のものとする。具体的には、前記体積平均粒子径に対する複合粒子の断面観察における長軸の長さの比が１．０〜１．２である複合粒子を対象粒子とする。
（ｂ）粒子状態
割れている複合粒子、裂けている複合粒子は、複合状態の判断対象に適さないため除外する。すなわち、複合粒子の断面観察における長軸及び短軸と、複合粒子の外周との交点の数が共に２である複合粒子を対象粒子とする。
【００２５】
前記複合状態判断の対象粒子の条件に該当した複合粒子の断面を観察し、以下のようにして複合粒子の断面における長軸の中心及び短軸の長さを選択する。
複合粒子の外周に外接する平行な２本の接線であって、その距離が最大となる接線ｍ１及び接線ｍ２を選択する。この接線ｍ１及び接線ｍ２の間の距離を複合粒子の最大長さ、すなわち長軸の長さとする。
ただし、複合粒子の断面における長軸の長さは、複合粒子の全体像を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察して求められる複合粒子の最大長さに対して、７０％以上となるように選択されることが好ましい。すなわち、複合粒子の断面は、３次元的に全体をとらえた複合粒子自体の長軸の長さ又はそれに近い長さの軸を含むように選択されることが好ましい。尚、複合粒子自体の長軸の長さは、複合粒子に外接する平行な２つの平面であって、その距離が最大となる２つの平面の間の距離として与えられる。
【００２６】
次いで前記複合粒子の断面上で、前記接線ｍ１及び接線ｍ２に直交し、複合粒子の外周に外接する２本の平行な接線ｎ１及び接線ｎ２を選択する。
接線ｎ１に平行な直線であって、接線ｎ１までの距離と接線ｎ２までの距離が等しい直線を複合粒子の長軸とする。長軸と接線ｍ１及び接線ｍ２との交点をそれぞれ交点Ｐ１及び交点Ｐ２とし、交点Ｐ１と交点Ｐ２とを結ぶ線分の中点を長軸の中点とする。この長軸の中点を通り、長軸と直交する直線を短軸とする。短軸と複合粒子の外周との２つの交点Ｑ１及び交点Ｑ２の間の距離を短軸の長さとする。
【００２７】
次いで前記複合粒子の断面上で、長軸の中点を中心とし、短軸の長さの１／８の長さＲを半径とする円を描き、その円の内部領域を、複合粒子における中心部分とする。
一方、複合粒子の断面上で、その外周から内側に長さＲの深さまでの内側領域を、複合粒子における表面部分とする。
ここで中心部分と表面部分とに重複部分が発生する場合には、複合状態判断の対象粒子から除外する。
【００２８】
上記のようにして決定した複合粒子の中心部分及び表面部分について、それぞれＳＥＭを用いて観察し、観察している領域にＸ線分光装置を適用して、被観察領域に含有される元素をそれぞれ定量分析する。これによって得られる元素質量濃度を用いて、下記複合状態の条件について評価し、これを満たす複合粒子を本発明のリチウムイオン二次電池用負極材を構成するものと同定する。
尚、前記Ｘ線分光装置としては、被観察領域に含有される元素を定量可能であれば特に制限されず、例えば、エネルギー分散型(ＥＤＸ)及び波長分散型(ＷＤＸ)を用いることができる。
【００２９】
（複合状態の条件）
前記複合粒子の表面部分に含まれる珪素原子の含有量の、中心部分に含まれる珪素原子の含有量に対する比率（表面部分／中心部分）が２以上である。これは複合粒子の表面に珪素原子を含有する第二の粒子が偏在していることを意味する。
前記比率は、中心部分における炭素原子、酸素原子及び珪素原子の総含有量に対する珪素原子の含有量の比率（Ｓｉ／（Ｃ＋Ｏ＋Ｓｉ））と、表面部分における炭素原子、酸素原子及び珪素原子の総含有量に対する珪素原子の含有量の比率とをそれぞれ求め、これらの比として算出される。
具体的には例えば、ＥＤＸで定量分析を行った際、炭素原子、酸素原子及び珪素原子のみについて定量分析を行えば、中心部分と表面部分の珪素原子の質量濃度を単に比較することで、前記比率を得ることができる。
本発明において前記比率は３以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。前記比率が２未満では、複合粒子の膨張を十分に抑制できない場合があり、またサイクル特性低下する場合がある。
【００３０】
中心部分及び表面部分における炭素原子、酸素原子及び珪素原子の総含有量に対する珪素原子の含有量の比率は、具体的には、中心部分及び表面部分のそれぞれにおいて、一辺の長さが前記長さＲの１／５〜１／２である正方形領域を３箇所、できるだけ重複しないように選択する。選択した正方形領域について、それぞれ炭素原子、酸素原子及び珪素原子に対する珪素原子の含有比を測定し、それらの測定値の算術平均値として算出される。
【００３１】
本発明においては、さらに前記複合粒子の断面に含まれる珪素原子の総含有量に対する前記中心部分に含まれる珪素原子の含有量の比率が０．２以下であることが好ましく、０．１５以下であることがより好ましい。これは複合粒子の中心部分に珪素原子が実質的に存在しないことを意味する。
複合粒子の断面に含まれる珪素原子の総含有量、及び、中心部分に含まれる珪素原子の含有量は上記と同様にして得ることができる。
【００３２】
本発明においては上記条件（ａ）及び（ｂ）を満たす複合粒子１０個について、上記複合状態の条件を評価し、３個以上、好ましくは５個以上の複合粒子が条件を満たす場合に本発明のリチウムイオン二次電池用負極材であると判断する。
【００３３】
本発明における複合粒子の複合状態を、上記のように構成する方法としては、例えば、後述するような複合粒子の製造方法で複合粒子を製造する方法を挙げることができる。
【００３４】
（第一の粒子）
本発明のリチウムイオン二次電池用負極材は、炭素性物質Ａを含む第一の粒子の少なくとも１種を含む。
前記第一の粒子は炭素性物質Ａを含んで構成される。前記炭素性物質Ａは後述する炭素性物質Ｂよりも結晶性が高いことが好ましい。また前記炭素性物質Ａは、学振法に基づいて測定して得られる平均面間隔（ｄ００２）の値が０．３３５ｎｍ〜０．３４７ｎｍであることが好ましい。これを満たす炭素性物質としては例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、低結晶性炭素、メソフェーズカーボン等が挙げられる。
【００３５】
前記平均面間隔（ｄ００２）は、電池容量の観点から、０．３３５ｎｍ〜０．３４５ｎｍが好ましく、０．３３５ｎｍ〜０．３４０ｎｍがより好ましく、０．３３５ｎｍ〜０．３３７ｎｍが更に好ましい。前記平均間隔が０．３４７ｎｍ以下であることで結晶性が高く、電池容量及び充放電効率がともに向上する傾向がある。一方、黒鉛結晶の理論値は０．３３５ｎｍであることから、この値に近い方が電池容量及び充放電効率がともに向上する傾向がある。
また第一の粒子に含まれる炭素性物質Ａの含有率は特に制限されないが７０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましい。
【００３６】
前記第一の粒子の体積平均粒子径（５０％Ｄ）は特に制限されないが、後述する第二の粒子よりも大きいことが好ましく、５μｍ〜４０μｍであることが好ましく、５μｍ〜３５μｍであることがより好ましく、７μｍ〜３０μｍであることがより好ましく、１０μｍ〜３０μｍが更に好ましい。
【００３７】
体積平均粒子径が５μｍ以上であることで、比表面積が大きくなりすぎることが抑制され、初回の充放電効率が向上する。また電極密度がより向上し、高容量のリチウムイオン二次電池が得られる。一方、体積平均粒子径が４０μｍ以下であることで、レート特性などの電極特性が向上する傾向がある。
尚、第一の粒子の体積平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、通常の条件で測定される。
【００３８】
炭素性物質Ａを含有する第一の粒子の形態、形状などは特に限定されるものではない。形態としては１個の粒子からなる単数粒子、及び複数個の一次粒子が造粒してなる造粒粒子などが挙げられ、いずれであってもよい。また形状としては単数粒子であれば鱗片状、球状粒子などが挙げられる。また造粒粒子としては、球状あるいは多孔質状など様々な形状ものが挙げられる。
【００３９】
上記の炭素性物質Ａを含有する第一の粒子の形態については、電池を構成した場合のレート特性の観点から、単数粒子よりも造粒粒子の方が好ましい。これは例えば、第一の粒子が結晶性の高い黒鉛粒子からなる場合、複数個が造粒してなる粒子の方が、電極を形成する際にプレスして高密度化した場合に、粒子の面方向配向をより容易に抑制できるため、第一の粒子におけるＬｉイオンの授受がより効率的に行なわれるため、レート特性が向上すると考えることができる。
【００４０】
また造粒粒子の形状については、電池を構成した場合のレート特性の観点から、球状よりも多孔質状の方が好ましい。これは例えば、多孔質状の造粒粒子においては内部空間が存在することによってＬｉイオンが拡散し易くなるため、レート特性が向上すると考えることができる。
なかでも造粒粒子の中心部分にまで、第二の粒子が入り込まないような空隙率が小さい多孔質粒子であることが好ましい。このような造粒粒子であることで、複合粒子を形成した際に高いタップ密度を達成でき、また形成される電極の電極密度が向上するために高い体積容量を達成することができる。
【００４１】
前記第一の粒子は、例えば、各社から市販されている粉末状の炭素製品として入手することができる。また前記平均面間隔が０．３３５ｎｍ〜０．３４７ｎｍである人造黒鉛、天然黒鉛、低結晶性炭素、メソフェーズカーボン等を、通常用いられる方法によって所望の体積平均粒子径（好ましくは、４μｍ〜４０μｍ）を有するように、粉砕又は造粒処理することで製造することができる。
【００４２】
（第二の粒子）
本発明のリチウムイオン二次電池用負極材は、珪素原子を含む第二の粒子の少なくとも１種を含む。前記第二の粒子は珪素原子を含むものであれば特に制限されない。例えば、珪素を含む粒子、珪素酸化物等の珪素化合物を含む粒子等を挙げることができる。電池容量の観点から、珪素又は珪素酸化物を含む粒子であることが好ましく、実質的に珪素からなる粒子又は実質的に珪素酸化物からなる粒子であることがより好ましい。
ここで実質的とは不可避的に混入する不純物を許容することを意味し、不純物の含有率は１０質量％以下であることが好ましい。
【００４３】
前記第二の粒子の体積平均粒子径は特に制限されないが、前記第一の粒子の体積平均粒子径よりも小さい体積平均粒子径を有することが好ましく、体積平均粒子径が０．０１μｍ〜５μｍであるがより好ましく、０．０３μｍ〜３μｍがさらに好ましく、０．０５μｍ〜２μｍがさらに好ましく、０．１〜１μｍが特に好ましい。
第二の粒子の体積平均粒子径が０．０１μｍ以上であることで、良好な生産性で第二の粒子を得ることができ、取り扱い性に優れ、前記第一の粒子表面への複合化を効率的に行うことができる。一方、体積平均粒子径が５μｍ以下であることで、第一の粒子表面上への複合化を効率的に行うことができ、充電時における第二の粒子の膨張が局在化することを抑制でき、サイクル特性がより向上する傾向がある。
【００４４】
なお、前記珪素酸化物とは、一般的にＳｉＯｘで表されるものである。ｘの範囲は０．８≦ｘ≦１．６が好ましく、０．９≦ｘ≦１．５がより好ましく、１．０≦ｘ≦１．４が更に好ましい。ｘが０．８以上であることで製造、入手が容易である。一方、ｘが１．６以下であることで珪素酸化物中の二酸化珪素部分が多くなるすぎることを抑制でき、珪素酸化物中におけるリチウムイオンの拡散が促進され、レート特性が向上する傾向がある。
【００４５】
前記第一の粒子の体積平均粒子径に対する第二の粒子の体積平均粒子径の比（第二の粒子の粒子径／第一の粒子の粒子径）は特に制限されないが、サイクル特性と電池容量の観点から、０．０００３〜０．２であることが好ましく、０．００１〜０．１であることがより好ましい。
また前記複合粒子の断面の観察において、複合粒子の長軸の長さに対する第二の粒子の長軸の長さの比（第二の粒子の長軸の長さ／複合粒子の長軸の長さ、以下、「長軸長さ比」ともいう）は、サイクル特性と電池容量の観点から、０．０００３〜０．２であることが好ましく、０．００１〜０．１であることがより好ましい。さらに複合粒子１０個について断面の観察をした場合に、５個以上の複合粒子がこの条件を満たすことが好ましく、全部の粒子がこの条件を満たすことが特に好ましい。
尚、第二の粒子の長軸の長さは、複合粒子の長軸の長さと同様にして求められる。また複数の第二の粒子が存在する場合には、任意に選択される３個の第二の粒子の長軸の長さの算術平均値とする。
【００４６】
また複合粒子に含まれる第二の粒子の含有量は、目的に応じて適宜選択できるが、サイクル特性と電池容量の観点から、複合粒子全体において０．５質量％〜２０質量％であることが好ましく、１質量％〜１５質量％がより好ましく、２質量％〜１０質量％がさらに好ましい。第二の粒子の含有量が０．５質量％以上であることで電池容量が向上する。また２０質量％以下であることでサイクル特性がより向上する。
さらに複合粒子における第一の粒子の含有量に対する第二の粒子の含有量の比（第二の粒子の含有量／第一の粒子の含有量）は、目的に応じて適宜選択できるが、サイクル特性と電池容量の観点から、質量基準で０．００５〜０．３であることが好ましく、０．０１〜０．２５であることがより好ましい。
【００４７】
（炭素性物質Ｂ）
本発明における複合粒子は、前記第一の粒子と第二の粒子とが、前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂの少なくとも１種で複合化されてなる。前記炭素性物質Ｂは有機物を前駆体とし、熱処理等によって炭素化されてなるものであれば、前駆体となる有機物の種類、熱処理の履歴、炭素性物質Ｂの構造などに特に制限はない。
前記有機物としてはフェノール樹脂、スチレン樹脂等の高分子化合物、ピッチ等の炭化可能な固体物などが挙げられる。これらは、溶解物もしくは固形の状態で複合化時のバインダとして用いることができる。
第一の粒子と第二の粒子とを炭素性物質Ｂの前駆体で複合化した後、前記前駆体を炭素化することで本発明にかかる複合粒子を得ることができる。
【００４８】
前記複合粒子における炭素性物質Ｂの含有量については、複合粒子全体において１質量％〜１０質量％であることが好ましく、１質量％〜８質量％がより好ましく、２質量％〜８質量％が更に好ましく、２質量％〜６質量％が特に好ましい。
炭素性物質Ｂの量が１０質量％以下であることで、非晶質炭素の含有量を抑制でき、初回充放電効率が低下することを抑制できる。また複合粒子を製造する工程において、複合粒子同士の結着を抑制し、粒子径が増加することを抑制できる。一方、１質量％以上であることでサイクル特性が向上する傾向がある。これは例えば第二の粒子が第一の粒子表面に効率的に複合化されやすくなるためと考えることができる。
【００４９】
また前記第二の粒子に対する炭素性物質Ｂの含有比率（炭素性物質Ｂ／第二の粒子）は、第一の粒子と第二の粒子とを複合化可能である限り特に制限されない。例えば、サイクル特性と電池容量の観点から、質量基準で０．１〜１０であることが好ましく、０．３〜５であることがより好ましい。
【００５０】
本発明における複合粒子の体積平均粒子径（５０％Ｄ）は特に制限されない。例えば５μｍ〜４０μｍであることが好ましく、５μｍ〜３５μｍであることがより好ましく、７μｍ〜３０μｍであることが更に好ましく、１０μｍ〜３０μｍが特に好ましい。
複合粒子の体積平均粒子径が５μｍ以上であることで、比表面積の増大を抑制でき、初回の充放電効率が向上する。また電極密度を上昇させやすく、リチウムイオン二次電池の高容量化が可能になる。一方、体積平均粒子径が４０μｍ以下であることで、レート特性などの電極特性が向上する傾向がある。
【００５１】
また前記第一の粒子の体積平均粒子径に対する複合粒子の体積平均粒子径の比（複合粒子の粒子径／第一の粒子の粒子径）は特に制限されない。サイクル特性と電池容量の観点から、１．０〜１．３であることが好ましく、１．０１〜１．２５より好ましく、１．０３〜１．２０が更に好ましく、１．０５〜１．１５が特に好ましい。
【００５２】
複合粒子の体積平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、通常の条件で測定される。また後述する複合粒子の製造方法において、解砕条件を適宜選択することで制御することができる。
【００５３】
本発明における複合粒子のタップ密度は特に制限されない。例えば０．６ｇ／ｃｍ３〜１．２ｇ／ｃｍ３であることが好ましく、０．７ｇ／ｃｍ３〜１．２ｇ／ｃｍ３がより好ましく、０．８ｇ／ｃｍ３〜１．１５ｇ／ｃｍ３が更に好ましく、０．９ｇ／ｃｍ３〜１．１ｇ／ｃｍ３であることが特に好ましい。
０．６ｇ／ｃｍ３以上であることで、サイクル特性が向上する。また負極を形成する際のプレス時における圧縮性が向上し、高い電極密度が達成され、より高容量の電池を得ることができる。一方、１．２ｇ／ｃｍ３以下であることで電池特性の低下を抑制できる。これは例えば、複合粒子の粒子径や複合粒子自体の密度が、Ｌｉイオンの授受、拡散に影響を及ぼすためと考えることができる。
尚、複合粒子のタップ密度は、ＪＩＳ規格Ｒ１６２８に準じて測定される。
【００５４】
［導電性を有する物質］
本発明のリチウムイオン二次電池用負極材は、前記複合粒子に加えて、導電性を有する物質の少なくとも１種を含有することが好ましい。
導電性を有する物質としては、カーボンブラック、黒鉛、コークス、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等を挙げることができる。
また導電性を有する物質の種類、形状は、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、黒鉛等は容量、効率の面から好ましく、また、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等は少量で複合粒子間の導電性を確保できるため好ましい。
【００５５】
リチウムイオン二次電池用負極材における導電性を有する物質の含有量は、目的に応じて適宜選択できる。例えば、容量の観点では、リチウムイオン二次電池用負極材中に０．１質量％〜２０質量％であることが好ましく、０．５質量％〜１０質量％であることがより好ましい。一方、サイクルの観点では、２０質量％〜９５質量％が好ましく、５０質量％〜９０質量％がより好ましい。
【００５６】
［リチウムイオン二次電池用負極材の製造方法］
前記リチウムイオン二次電池用負極材の製造方法は、前記複合粒子を含むリチウムイオン二次電池用負極材を製造可能であれば特に制限されない。例えば、前記複合粒子を得る工程と、必要に応じてその他の工程を含んで構成される。
本発明において前記複合粒子を得る工程は、電池のサイクル特性と負極材の膨張率の観点から、炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、珪素原子を含有する第二の粒子とを、前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂを用いて複合化し、体積平均粒子径が前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０倍以上１．３倍以下である複合粒子を得る工程を含むことが好ましい。
かかる工程で複合粒子を製造することにより、複合粒子の表面部分における珪素原子の含有量を中心部分の２倍以上とすることができる。さらに複合粒子の中心部分に実質的に珪素原子が存在しない状態とすることができる。
【００５７】
前記複合粒子を得る工程は、具体的には、炭素性物質Ａを含有する第一の粒子と、珪素を含有する第二の粒子とを、前記炭素性物質Ａとは異なる炭素性物質Ｂの炭素性物質前駆体とを複合化する工程と、前記複合化することにより得られた複合化物を焼成して塊状物を得る工程と、前記塊状物に剪断力を付与して、前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０倍以上１．３倍以下となる体積平均粒子径を有し、前記第一の粒子及び前記第二の粒子が前記炭素性物質Ｂで複合化された複合粒子を得る工程とを含むことが好ましい。
【００５８】
（複合化）
第一の粒子と第二の粒子と炭素性物質前駆体との複合化は、本製造方法により得られる複合粒子における第一の粒子、第二の粒子及び炭素性物質Ｂの構成比率を実現可能な量比で、これらの構成要素を複合化するものであれば特に制限はない。本複合化によって、第一の粒子と、第二の粒子と炭素性物質前駆体とを含む複合化物が得られる。なお、複合化工程で得られる複合化物は、第一の粒子表面に第二の粒子と炭素性物質前駆体とが一体化したものであって、炭素性物質前駆体が炭素化されていない未炭素化複合体である。
【００５９】
第二の粒子が炭素性物質前駆体のみとで複合粒子化せずに、第二の粒子と第一の粒子と炭素性物質前駆体とが複合粒子化するように、第二の粒子と炭素性物質前駆体とが、分散媒体中に溶解あるいは分散した状態で、第一の粒子と混合することが好ましい。
分散物とする場合に用いられる分散媒体としては、有機溶剤を用いることが好ましい。これにより例えば、第二の粒子の酸化を抑制できる。また炭素性物質前駆体が固形物の場合、前記有機溶剤に溶解した状態が好ましい。用いられる有機溶剤としては特に制限はないが、例えば、炭素性物質前駆体としてピッチ等を用いる場合、これに可溶性を有するトルエンやメチルナフタリンなどの芳香族炭化水素系溶剤が好適である。
【００６０】
凝集性がある第二の粒子と炭素性物質前駆体とを第一の粒子の表面上に均一に複合化するために、第二の粒子と炭素性物質前駆体は、分散媒中で高度に分散されていることが好ましい。分散方法については特に制限はないが、第二の粒子と炭素性物質前駆体及び分散媒体を超音波分散処理することが、より均一な分散物を得ることができるために、好ましい。
なお、分散物を得る際に、第一の粒子を同時に混合してもよい。その場合の分散方法は、第一の粒子が分散の際に粉砕されない限り特に制限されない。例えば、攪拌式のホモジナイザーやビーズミル、ボールミルなどを用いて分散を実施するこができる
【００６１】
前記炭素性物質前駆体は焼成処理によって炭素化物になる際、その質量が減少する。よって、複合化の際の炭素性物質前駆体の量は、予めその炭素化率を測定しておき、複合粒子中に残炭する量分に相当する量を複合化処理に用いることが好ましい。
【００６２】
第二の粒子の量は、本発明にかかる負極材を用いて構成されるリチウムイオン二次電池の容量を決定する要因の１つとなる。よって、目的とする容量に応じ、複合化に用いられる第二の粒子の量を、適宜、決定することが好ましい。
具体的には、複合粒子中の第二の粒子の含有量が既述の範囲となるように適宜選択することが好ましい。
【００６３】
第一の粒子の量は、任意の量とすることができ、例えば、複合粒子の全質量の６０〜９９％の範囲で適宜選択することが好ましい。
【００６４】
第一の粒子、第二の粒子及び炭素性物質前駆体を複合化する具体的な方法としては、例えば、分散物と第一の粒子とを複合化する場合、加熱可能な混練機で前記分散物と第一の粒子とを混合しながら有機溶剤を揮発させ複合化する方法、あるいは、第一の粒子を前記分散物中に予め混合し、それを噴霧乾燥して複合化する方法などが挙げられる。
これらの複合化方法では、第一の粒子と前記分散物とが均一に混合されるよう、ペースト状、あるいはスラリー状などの状態で混合することが好ましい。
【００６５】
（焼成工程）
焼成工程では、複合化工程によって得られた複合化物を焼成する。この焼成処理により、炭素性物質前駆体は炭素化物になる。また第二の粒子に珪素酸化物が含まれる場合、例えば、珪素酸化物は不均化され、珪素酸化物内に珪素の微結晶が分散した構造体になる。
焼成処理により、複合化物が焼成されて塊状物が得られる。ここで、塊状物は、第一の粒子と、第二の粒子と、炭素性物質Ｂとを有する複合粒子が集合して一体化したものである。
【００６６】
焼成処理は不活性雰囲気下で行うことが酸化抑制の点で好ましく、不活性雰囲気としては、窒素、アルゴンが好適である。
焼成処理条件は、特に限定されないが、２００℃程度で一定時間保持し、残留溶剤を完全に揮発させ、その後、目的温度まで昇温することが好ましい。
焼成温度については８００〜１２００℃が好ましく、８５０〜１２００℃がより好ましく、９００〜１２００℃がさらに好ましい。焼成温度を８００℃以上とすることで、炭素性物質前駆体の炭素化が十分に進行し、初回充放電効率が向上する傾向がある。一方、焼成温度を１２００℃以下とすることで、珪素においては炭化珪素化を抑制でき、電池容量の低下を抑制できる傾向がある。また、珪素酸化物中の二酸化珪素部分の成長を抑制でき、珪素酸化物内におけるリチウムイオンの拡散阻害とレート特性の低下とを抑制できる。
【００６７】
（剪断力付与工程）
剪断力付与工程では、焼成工程で得られた塊状物に剪断力を付与して、前記第一の粒子の体積平均粒子径に対して１．０倍以上１．３倍以下の体積平均粒子径を有し、前記第一の粒子及び前記第二の粒子が前記炭素性物質Ｂで複合化された複合粒子を得る。
焼成工程によって得られた塊状物は、炭素性物質前駆体の炭素化によって互いに結着した複合粒子により形成されている。この塊状物に対して剪断力が付与されると、互いに結着した複合粒子に対して適度な剪断力が付与され、所定の粒子径を有する個々の複合粒子に分離する。このようにして得られた複合粒子は、その表面に第二の粒子が多く存在する形態を有するものである。
【００６８】
剪断力の付与は、複合粒子の体積平均粒子径が所望の範囲となる剪断力が付与可能な装置であれば特に制限はされず、一般的な装置であるミキサー、カッターミル、ハンマーミル、ジェットミルなどを用いて行うことができる。
また、複合粒子の体積平均粒子径が所望の範囲内となる剪断力の付与の条件としては、用いられる装置によって異なるが、例えば、ＷＡＲＩＮＧ社製のワーリングミキサー（７０１２Ｓ）を用いた場合には、３０００〜１３０００ｒｐｍの回転数で、３０秒〜３分の時間にわたり剪断する条件を採用すればよい。
また剪断力の付与は、塊状物を、塊状物を形成している個々の複合粒子の状態にすると共に複合粒子を破壊しない処理であれば、粉砕処理又は解砕処理等の当業界で一般的に用いられる処理のいずれであってもよい。
【００６９】
剪断力付与工程の後に、整粒を目的として分級工程を含むことが好ましい。これにより、均一な体積平均粒子径を有する複合粒子を得ることができる。分級には、例えば、目開き４０μｍの篩を用いることが好ましい。また、分級処理において、１μｍ以下の微粉をできるだけ除去することが好ましい。
分級処理の方法については特に限定されないが、例えば、気流式分級機によって除去することが可能である。
分級処理して得られた複合粒子は、不活性雰囲気下でさらに熱処理をしてもよい。熱処理条件については、上記の焼成条件と同様である。この処理を施すことにより、粉砕で乱れた粒子表面の構造を平滑化でき、初回の充放電効率をより向上することができる。
【００７０】
本発明における複合粒子には、炭素被覆をして低結晶性炭素層をさらに形成してもよい。ただし、炭素被覆量が多い場合、非晶質炭素の増加によって初回充放電効率が低下する場合があるため、その量については、負極材の特性が低下しないように適宜決定することが好ましい。
炭素被覆の方法として、湿式混合法、化学蒸着法、メカノケミカル法などが挙げられる。均一かつ反応系の制御が容易で、複合粒子の形状が維持できるといった点から、化学蒸着法及び湿式混合法が好ましい。
低結晶性炭素層を形成するための炭素源についても特に限定はないが、化学蒸着法では脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環族炭化水素など用いることができる。具体的にはメタン、エタン、プロパン、トルエン、ベンゼン、キシレン、スチレン、ナフタレン、クレゾール、アントラセン、またはこれらの誘導体等が挙げられる。
また、湿式混合法及びメカノケミカル法では、フェノール樹脂、スチレン樹脂等の高分子化合物、ピッチ等の炭化可能な固体物などを、固形のまま、または溶解物などにして処理を行うことができる。
処理温度は、前記記載の焼成処理条件と同様の条件で行うことが好ましい。
【００７１】
さらに本製造方法は、必要に応じてその他の成分を混合する工程をさらに含むものであってもよい。その他の成分としては、例えば、既述の導電性を有する物質（導電補助材）、バインダ等を挙げることができる。
【００７２】
＜リチウムイオン二次電池用負極＞
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、既述の本発明のリチウムイオン二次電池用負極材を含み、必要に応じてその他の構成要素を含んで構成される。これにより、高容量でサイクル特性と安全性に優れるリチウムイオン二次電池を構成することが可能になる。
【００７３】
前記リチウムイオン二次電池用負極は、例えば、既述の本発明のリチウムイオン二次電池用負極材及び有機結着材を溶剤とともに撹拌機、ボールミル、スーパーサンドミル、加圧ニーダ等の分散装置により混練して、負極材スラリーを調製し、これを集電体に塗布して負極層を形成する、又は、ペースト状の負極材スラリーをシート状、ペレット状等の形状に成形し、これを集電体と一体化することで得ることができる。
【００７４】
上記有機結着剤（以下、「バインダ」ともいう）としては、特に限定されないが、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体；エチレン性不飽和カルボン酸エステル（例えば、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、（メタ）アクリロニトリル、及びヒドロキシエチル（メタ）アクリレート等）、及びエチレン性不飽和カルボン酸（例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸等）からなる（メタ）アクリル共重合体；ポリ弗化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリエピクロヒドリン、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの高分子化合物が挙げられる。
【００７５】
これらの有機結着剤は、それぞれの物性によって、水に分散、あるいは溶解したもの、また、Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）などの有機溶剤に溶解したものがある。これらの中でも、密着性に優れることから、主骨格がポリアクリロニトリル、ポリイミド、又はポリアミドイミドである有機結着剤が好ましく、主骨格がポリアクリロニトリルである有機結着剤が後述するように熱処理温度が低く、電極の柔軟性が優れることから更に好ましい。ポリアクリロニトリルを主骨格とする有機結着剤としては、例えば、ポリアクリロニトリル骨格に、接着性を付与するアクリル酸、柔軟性を付与する直鎖エーテル基を付加した製品（日立化成工業株式会社製、ＬＳＲ７）が使用できる。
【００７６】
リチウムイオン二次電池負極の負極層中の有機結着剤の含有比率は、１質量％〜３０質量％であることが好ましく、２質量％〜２０質量％であることがより好ましく、３質量％〜１５質量％であることがさらに好ましい。
有機結着剤の含有比率が１質量％以上であることで密着性が良好で、充放電時の膨張・収縮によって負極が破壊されることが抑制される。一方、３０質量％以下であることで、電極抵抗が大きくなることを抑制できる。
【００７７】
また、上記負極材スラリーには、必要に応じて、導電補助材を混合してもよい。導電補助材としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラック、あるいは導電性を示す酸化物や窒化物等が挙げられる。導電補助材の使用量は、本発明のリチウムイオン二次電池負極材に対して０．１質量％〜２０質量％程度とすればよい。
【００７８】
また前記集電体の材質及び形状については特に限定されず、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を、箔状、穴開け箔状、メッシュ状等にした帯状のものを用いればよい。また、多孔性材料、たとえばポーラスメタル（発泡メタル）やカーボンペーパーなども使用可能である。
【００７９】
上記負極材スラリーを集電体に塗布する方法としては、特に限定されないが、例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法など公知の方法が挙げられる。塗布後は、必要に応じて平板プレス、カレンダーロール等による圧延処理を行うことが好ましい。
また、シート状、ペレット状等の形状に成形された負極材スラリーと集電体との一体化は、例えば、ロール、プレス、もしくはこれらの組み合わせ等、公知の方法により行うことができる。
【００８０】
前記集電体上に形成された負極層及び集電体と一体化した負極層は、用いた有機結着剤に応じて熱処理することが好ましい。例えば、ポリアクリロニトリルを主骨格とした有機結着剤を用いた場合は、１００〜１８０℃で、ポリイミド、ポリアミドイミドを主骨格とした有機結着剤を用いた場合には１５０〜４５０℃で熱処理することが好ましい。
この熱処理により溶媒の除去、バインダの硬化による高強度化が進み、粒子間及び粒子と集電体間の密着性が向上できる。尚、これらの熱処理は、処理中の集電体の酸化を防ぐため、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性雰囲気、又は真空雰囲気で行うことが好ましい。
【００８１】
また、熱処理する前に、負極はプレス（加圧処理）しておくことが好ましい。加圧処理することで電極密度を調整することができる。本発明のリチウムイオン二次電池用負極材では、電極密度が１．４ｇ／ｃｍ３〜１．９ｇ／ｃｍ３であることが好ましく、１．５ｇ／ｃｍ３〜１．８５ｇ／ｃｍ３であることがより好ましく、１．６ｇ／ｃｍ３〜１．８ｇ／ｃｍ３であることがさらに好ましい。電極密度については、高いほど体積容量が向上するほか、密着性が向上し、サイクル特性も向上する傾向がある。
【００８２】
＜リチウムイオン二次電池＞
本発明のリチウムイオン二次電池は、既述の本発明のリチウムイオン二次電池用負極と、正極と、電解質とを用いてなることを特徴とする。例えば、上記本発明のリチウムイオン二次電池用負極と正極とを、必要に応じてセパレータを介して対向して配置し、電解質を含む電解液を注入することにより構成することができる。
【００８３】
前記正極は、前記負極と同様にして、集電体表面上に正極層を形成することで得ることができる。この場合の集電体はアルミニウム、チタン、ステンレス鋼等の金属や合金を、箔状、穴開け箔状、メッシュ状等にした帯状のものを用いることができる。
【００８４】
前記正極層に用いる正極材料としては、特に制限はなく、例えば、リチウムイオンをドーピング又はインターカレーション可能な金属化合物、金属酸化物、金属硫化物、又は導電性高分子材料を用いればよく、特に限定されない。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、及びこれらの複酸化物（ＬｉＣｏｘＮｉｙＭｎｚＯ２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ、０＜ｙ；ＬｉＮｉ２−ｘＭｎｘＯ４、０＜ｘ≦２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、リチウムバナジウム化合物、Ｖ２Ｏ５、Ｖ６Ｏ１３、ＶＯ２、ＭｎＯ２、ＴｉＯ２、ＭｏＶ２Ｏ８、ＴｉＳ２、Ｖ２Ｓ５、ＶＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＳ３、Ｃｒ３Ｏ８、Ｃｒ２Ｏ５、オリビン型ＬｉＭＰＯ４（Ｍ：Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ）、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセン等の導電性ポリマー、多孔質炭素等などを単独或いは混合して使用することができる。中でも、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）及びその複酸化物（ＬｉＣｏｘＮｉｙＭｎｚＯ２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ、０＜ｙ；ＬｉＮｉ２−ｘＭｎｘＯ４、０＜ｘ≦２）は、容量が高いため本発明に用いる正極材として好適である。
【００８５】
前記セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを主成分とした不織布、クロス、微孔フィルム又はそれらを組み合わせたものを使用することができる。なお、作製するリチウムイオン二次電池の正極と負極が直接接触しない構造にした場合は、セパレータを使用する必要はない。
【００８６】
前記電解液としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳＯ３ＣＦ３等のリチウム塩を、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、シクロペンタノン、スルホラン、３−メチルスルホラン、２，４−ジメチルスルホラン、３−メチル−１，３−オキサゾリジン−２−オン、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ブチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル等の単体もしくは２成分以上の混合物の非水系溶剤に溶解した、いわゆる有機電解液を使用することができる。なかでも、フルオロエチレンカーボネートを含有する電解液は、本発明の負極材の表面に安定なＳＥＩ（固体電解質界面）が形成される傾向があり、サイクル特性が著しく向上するため好適である。
【００８７】
本発明のリチウムイオン二次電池の構造は、特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレータとを、扁平渦巻状に巻回して巻回式極板群としたり、これらを平板状として積層して積層式極板群としたりし、これら極板群を外装体中に封入した構造とするのが一般的である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、特に限定されないが、ペーパー型電池、ボタン型電池、コイン型電池、積層型電池、円筒型電池、角型電池などとして使用される。
上述した本発明のリチウムイオン二次電池用負極材は、リチウムイオン二次電池用と記載したが、リチウムイオンを挿入脱離することを充放電機構とする電気化学装置全般、例えば、ハイブリッドキャパシタなどにも適用することが可能である。
【実施例】
【００８８】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。尚、特に断りのない限り、「部」及び「％」は質量基準である。
【００８９】
＜実施例１＞
（複合粒子の作製）
まず、体積平均粒子径２５μｍの珪素粉末（純度９９．９％）を、メチルナフタレン、分散剤（花王（株）製：Ｌ−１８２０）とともに、ビーズミル（アシザワファインテック製：ＬＭＺ）で体積平均粒子径０．２μｍまで粉砕して珪素スラリーを作製した。
この珪素スラリー５００ｇ（固形分３０％）と、コールタールピッチ（炭素化率５０％、炭素性物質Ｂ）３００ｇと、メチルナフタレン２０００ｇをＳＵＳ製容器に入れて攪拌し、さらに通液型の超音波ホモジナイザー（ギンセン製：ＧＳＤ６００ＨＡＴ）で循環しながら３０分間、超音波分散処理して分散物を得た。
【００９０】
次いで、体積平均粒子径１８μｍのニードルコークス（炭素性物質Ａ）を加圧式ニーダに２７００ｇ投入し、ここに前記分散物を投入し、２００℃でメチルナフタレンを蒸発させて、炭素性物質Ａと珪素粒子とが炭素性物質Ｂで複合化された複合化物を得た。
得られた複合化物を、窒素雰囲気の焼成炉で９００℃、２時間焼成して塊状物を得た。得られた塊状物をワーリングミキサー（ＷＡＲＩＮＧ製：７０１２Ｓ）を用いて回転数３１００ｒｐｍ、１分間の条件で解砕し、次いで目開き４０μｍの振動ふるいで分級し、体積平均粒子径２０μｍの複合粒子を得て、これをリチウムイオン二次電池用負極材とした。
【００９１】
上記製造方法によって得られた複合粒子を含むリチウムイオン二次電池用負極材について、下記方法により、珪素原子の含有比率、平均面間隔、タップ密度、ＢＥＴ比表面積、体積平均粒子径（５０％Ｄ）、第二の粒子の含有率、長軸長さ比を評価した。評価結果を表１に示す。
また、図１には得られた複合粒子の断面の全体を示すＳＥＭ画像を、図２には複合粒子の断面の表面部分を示すＳＥＭ画像を示す。尚、図２における矢印は珪素粒子を示す。
【００９２】
［断面観察及び定量分析］
電極断面の加工は、日立ハイテク社製イオンミリング装置(Ｅ−３５００)を用いた。これで加工した電極断面について、ＳＥＭ（日立ハイテク製Ｓ−３４００Ｎ）で観察しながらＥＤＸ（オックスフォードインスツルメンツ製ＩＮＣＡ Ｅｎｅｒｇｙ３５０）を用いて炭素原子、酸素原子及び珪素原子の定量分析を行い、炭素原子、酸素原子及び珪素原子の総含有量に対する珪素原子の含有量の比率として、複合粒子全体及び、表面部分、中心部分における珪素原子の含有比率をそれぞれ求めた。
複合粒子全体における珪素原子の含有比率は、観察対象の複合粒子の長軸の長さと観察領域の幅がほぼ等しくなるまで拡大し、被観察領域全体における珪素原子の含有比率として求めた。また表面部分及び中心部分における珪素原子の含有比率は、表面部分及び中心部分のそれぞれにおいて、一辺の長さが１μｍの正方形領域を３箇所、できるだけ重複しないように選択して、それぞれの正方形領域における測定値の算術平均値として算出した。
更に、中心部分に対する表面部分の珪素原子の比率（表面／中心）、及び複合粒子全体に対する表面部分の珪素原子の比率（中心／全体）を併せて算出した。
【００９３】
また断面観察において、長軸長さ比を、複合粒子の長軸の長さに対する第二の粒子の長軸の長さの比として算出した。表１には、小数点以下第３位を四捨五入した値を示す。
尚、第二の粒子の長軸の長さは、任意に選択した３個の第二の粒子の長軸の長さの算術平均値とした。
【００９４】
測定した複合粒子は１０個であり、実施例のものは１０個全ての複合粒子が本願発明の規定を満たしていた。従って表１の各値は１０個の平均値である。各複合粒子において、各被観察領域はそれぞれ３カ所とした。また、各比較例は１０個全ての複合粒子が本願発明の規定を満たしていなかった。表１の各値は同じく１０個の平均値である。
【００９５】
［平均面間隔（ｄ００２）(ＸＲＤ)測定］
リガク社製広角Ｘ線回折測定装置で行い、学振法に基づき、平均面間隔（ｄ００２）を算出した。
【００９６】
［タップ密度測定］
ＪＩＳ規格Ｒ１６２８に準拠した方法により、タップ密度を測定した。
【００９７】
［ＢＥＴ比表面積測定］
窒素吸着測定装置ＡＳＡＰ−２０１０（島津製作所製）を使用し、相対圧０．０４〜０．２０の範囲において５点、窒素吸着を測定し、ＢＥＴ法を適用してＢＥＴ比表面積を算出した。
【００９８】
［平均粒子径（５０％Ｄ）測定］
レーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−３０００Ｊ（島津製作所製）を使用し、得られた複合粒子を界面活性剤と共に精製水中に分散させた分散液を試料水槽に入れ、超音波をかけながらポンプで循環させながら測定した。得られた粒度分布の累積５０％粒径（５０％Ｄ）を体積平均粒子径とした。
【００９９】
［第二の粒子の含有率］
複合粒子中に含まれる第二の粒子の含有率は、以下のようにして測定した。得られた複合粒子３ｇをアルミナ坩堝に入れ、大気下で９００℃、６０時間熱処理した。得られた灰分は全て酸化されていると見なし、以下の式より、第二の粒子を構成する珪素及び珪素酸化物含有率を測定した。
珪素含有率（％）＝（灰分量×２８．０９／６０．０９）／複合粒子質量×１００
珪素酸化物含有率（％）＝（灰分量×４４．０９／６０．０９）／複合粒子質量×１００
【０１００】
（リチウムイオン二次電池用負極の作製）
得られた複合粒子の９５部に対して、バインダとして、ポリアクリロニトリルを主骨格とする樹脂（日立化成工業製、ＬＳＲ７）を５部添加し、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）を適量入れて固練した後、さらにＮＭＰを添加し固形分４０％のスラリーを作製した。
得られたスラリーを、アプリケータを用いて固形分塗布量が７ｍｇ／ｃｍ２になるように銅箔に塗布し、９０℃定置運転乾燥機にて２時間、乾燥した。乾燥後、線圧１ｔ／ｃｍの条件でロールプレスし、さらに真空下、１６０℃で２時間、熱処理して、リチウムイオン二次電池用負極を得た。得られたリチウムイオン二次電池用負極を、１４ｍｍφの円形に打ち抜き、これを評価用試料として使用した。
【０１０１】
（評価用セルの作製）
評価用セルは、ＣＲ２０１６型コインセルに上記負極と金属リチウムを２０μｍのポリプロピレン製セパレータを介して対向させ、電解液を注入することにより作製した。電解液はエチルカーボネートとメチルエチルカーボネートを体積比３対７の混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／Ｌの濃度になるように溶解させ、これに１．５質量％のビニルカーボネートを添加した後、さらにフルオロエチレンカーボネートを２０体積％添加したものを使用した。
【０１０２】
（評価条件）
評価用セルは２５℃の恒温槽内に入れ、サイクル試験した。充電は、２ｍＡの定電流で０Ｖまで充電後、０Ｖの定電圧で電流値が０．２ｍＡになるまで行った。また放電は、２ｍＡの定電流で１．５Ｖの電圧値まで行った。放電容量と充放電効率は、初回充放電試験の結果とした。
また、膨張率は上記条件で５サイクル充放電を繰り返した後、充電した状態で評価用セルを解体し、得られた負電極の厚みの負電極作製時の厚みに対する比率を膨張率とした。
また、サイクル特性は、前記充放電条件にて５０回充放電試験した後の放電容量を初回の放電容量を比較し、その容量維持率として評価した。
評価結果を表１に示す。
【０１０３】
＜実施例２＞
実施例１において、珪素粉末の代わりに珪素酸化物粉末を用い、その体積平均粒子径が０．５μｍになるように粉砕して珪素酸化物スラリーを作製した。この珪素酸化物スラリー８００ｇを３００ｇのコールタールピッチと超音波分散処理し、ニードルコークス２．６１ｋｇと複合化した以外は、実施例１と同様にして複合粒子を作製し、同様の評価を行った。
【０１０４】
＜実施例３＞
実施例１において、焼成した塊状物をジェットミル（日本ニューマティック製ＬＪ−３）を用いて、粉砕圧０．１ＭＰａで、分級ゾーンをクリアランス１２ｍｍ、大型ルーバーを使用する条件で解砕した以外は、実施例１と同様にして複合粒子を作製し、同様の評価を行った。
【０１０５】
＜実施例４＞
実施例１において、得られた複合粒子に平均粒径４μｍ、比表面積１４ｍ２／ｇの鱗片状黒鉛粒子を全量中に１０％となるよう混合して、これをリチウムイオン二次電池用負極材としたこと以外は、実施例１と同様にして複合粒子を作製し、同様の評価を行った。
【０１０６】
＜比較例１＞
実施例１において、体積平均粒子径が１０μｍのニードルコークスを用い、珪素スラリー、コールタールピッチと共にメチルナフタリン中で超音波分散処理をし、この分散物を加圧式ニーダでメチルナフタレンを蒸発させて複合化物を得た。得られた複合化物を上記と同様に焼成して塊状物を得た。
得られた塊状物を、ジェットミル（ホソカワミクロン製ＡＦＧ）を用いて粉砕圧０．４ＭＰa、分級ローター回転数１５００ｒｐｍの条件で体積平均粒子径２３μｍまで粉砕して複合粒子を得た。
こうして得られた複合粒子を用いたこと以外は実施例１と同様にして負極材を作製し、同様の評価を行った。
【０１０７】
＜比較例２＞
実施例１において、体積平均粒子径が１０μｍのニードルコークスを用い、珪素スラリー、コールタールピッチと共にメチルナフタリン中で超音波分散処理をした。この分散物をスプレードライヤー（大川原化工機製：ＣＬ-８ｉ）を使用して複合化物を得た。スプレーにはツインジェットノズルを使用し、噴霧条件としては、噴霧圧０．１ＭＰａ、噴霧入口温度１１０℃で実施した。
得られた複合化物を上記と同様に焼成・粉砕して、体積平均粒子径１６μｍの複合粒子を得た。
こうして得られた複合粒子を用いたこと以外は実施例１と同様にして負極材を作製し、同様の評価を行った。
【０１０８】
【表１】
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【０１０９】
表１から、本発明のリチウムイオン二次電池用負極材を用いて構成したリチウムイオン二次電池用負極は、充電に伴う負極の膨張が抑制されることが分かる。また本発明のリチウムイオン二次電池用負極材を用いて構成した本発明のリチウムイオン二次電池は、サイクル特性に優れることが分かる。
【図１】
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【図２】
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